Повышение эффективности лазерно-разгоняемого флайера за счет in-situ нано-поглощающих слоев

Аннотация

Три вида флайеров из алюминия с разными наноструктурированными поглощающими слоями были in-situ приготовлены технологией прямой лазерной записи для повышения эффективности преобразования энергии в лазерно-разгоняемой флайерной сборке. Исследованы микроструктура, светопоглощение и скорость флайера в разгонной камере. Коэффициент отражения флайеров на длине волны 1064 нм снижен с 81,3% до 9,8% наноструктурированным поглощающим слоем. Конечная скорость 50-ммкм Al флайера под 60-мДж лазерным импульсом — 831 м/с, а флайера с in-situ нано-поглощающим слоем — до 1113 м/с при тех же условиях. Энергетическая эффективность флайера с наноструктурным поглощающим слоем достигает 1,99 от эффективности чистого Al флайера. Таким образом, in-situ наноструктурированный поглощающий слой на поверхности флайера дает новый метод существенного повышения энергетической эффективности лазерно-разгоняемого флайера.

Введение

Лазерно-разгоняемый флайер (LDF) для подрыва взрывчатки предлагает перспективный подход к хорошо контролируемой краткоимпульсной ударной компрессии конденсированных сред [1–4]. В LDF тонкая металлическая фольга на прозрачном оконном субстрате разгоняется наносекундным импульсным лазером: слой фольги (абляционный) испаряется, генерируя высокодавленную плазму, которая разгоняет остаток фольги до скоростей нескольких км/с. Алюминий идеален как материал флайера благодаря хорошей вязкости и низкой плотности. Однако из-за высокого отражения чистого алюминия большая часть энергии теряется, энергетическая эффективность флайера (отношение кинетической энергии флайера к энергии инцидентного лазера)极低, что сильно ограничивает практические применения LDF [5, 6].

Много работ посвящено повышению энергетической эффективности LDF. Учитывая, что эффективность может быть улучшена введением слоя с более сильным поглощением на длине волны лазера за счет уменьшения отражения [7], изучали многие материалы с меньшей отражательной способностью, чем чистый алюминий. Лабаст и соавт. [8], Бриерли и соавт. [9] исследовали несколько материалов как поглощающие слои и обнаружили, что добавление Ge, Ti, Zn снижает отражение и незначительно увеличивает скорость флайера. Однослойное черное покрытие также применялось, но скорость не улучшалась очевидно. Поскольку эти низкоотражающие материалы служат одновременно поглощающим и абляционным слоем, а эффективность взаимодействия зависит как от оптических, так и термодинамических свойств материала флайера [10], прирост скорости ограничен.

Недавно использование плазмонных наноматериалов для усиления поглощения света через возбуждение локализованного поверхностного плазмонного резонанса (LSPR) привлекло интерес в спектроскопических сенсорах и солнечной энергетике [11–13]. Наноструктуры алюминия могут использоваться как светосборные системы, покрывающие широкий спектральный диапазон от УФ до видимого LSPR [14–17]. Чжан и соавт. [18] симуляционно показали 40% усиление поглощения интеграцией алюминиевых частиц. Ли и соавт. [19] предложили стратегию дизайна для надежной платформы плазмон-усиленного светосбора с ядро-оболочка Al наноструктурами, дающей заметный рост фотохимического преобразования. Фан и соавт. [20] продемонстрировали ультрабыструю лазерную стратегию изготовления высокоэффективных антирефлексивных микронаноструктур на толстых металлических поверхностях, достигнув среднего отражения 4,1%, 2,4%, 3,2% в широком диапазоне УФ–ближний ИК на Cu, Ti, W соответственно. Однако, насколько нам известно, нет исследований об использовании наноструктурированных материалов для улучшения лазерного поглощения в LDF.

В работе предлагается наноструктурированный алюминиевый поглощающий слой, in-situ приготовленный на поверхности тонких Al флайеров для улучшения лазерного поглощения и энергетической эффективности. Фемтосекундная лазерная запись (direct laser writing) использована для изготовления наноструктур благодаря точности, относительной простоте и высокой выходе [21–23]. Морфология и состав поверхности in-situ наноструктур характеризованы, измерено их поглощение. Для оценки энергетической эффективности флайеры разгоняли одиночными лазерными импульсами, скорости измеряли фотонным доплеровским величинометром (PDV). Рассчитаны и обсуждены кинетическая энергия и энергетическая эффективность флайеров.

Экспериментальные методы

Подготовка образцов

Al фольга 60×60×50 мкм (ширина, длина, толщина) использована как референс-флайер. Фольги электролитически полировали для низкой шероховатости. Наноструктурированные поглощающие слои in-situ готовили на поверхности Al фольги прямой лазерной записью в воздухе. Использовали поляризованный фемтосекундный лазер (FX200-3-GFH, EdgeWave, Германия) λ=1030 нм, длительность импульса 600 фс, частота повторения 200 кГц. Мощность 0–100 Вт. Рис. 1 — схема процесса прямой лазерной записи. Наноструктуры контролировались изменением мощности лазера, скорости сканирования и периода. Подготовлено три образца с разными наноструктурированными поглощающими слоями (A, B, C). Образец A: 22,60 Вт, сканирование 1000 мм/с по Y, период 25 мкм. Образец B: 13,82 Вт, сканирование 5000 мм/с по X и Y, период 1 мкм. Образец C: 22,60 Вт, сканирование 8000 мм/с по X и Y, период 100 нм.

Схема метода подготовки образцов.

Методы характеризации

Морфология поверхности — SEM (Ultra 55, Zeiss, Германия) с EDX (Oxford, Британия). Оптическое волновозависимое отражение 500–1500 нм — UV-VIS-NIR спектрофотометр (SolidSpec-3700, Shimadzu, Япония) с интегрирующей сферой.

Рис. 2 — экспериментальная установка для разгона флайера и измерения скорости. Q-switched Nd:YAG лазер (Innolas SpitLight 400, 1064 нм, 14 нс) для абляции и разгона, PDV система для измерения скорости. Пространственное распределение энергии лазера гомогенизировалось диффузионной оптикой, диаметр пятна 0,5 мм. В эксперименте по величинометрии образцы резали на куски и приклеивали на сапфировое окно наноструктурированным слоем к окну. Стальные разгонные камеры толщиной 0,2 мм и внутренним диаметром 0,6 мм. 60 мДж одиночные лазерные импульсы для получения быстрых флайеров. Оптоволокно PDV у выхода камеры для записи скорости.

Схема системы разгона флайера и системы записи скорости (PDV).

Результаты и обсуждение

Микроструктура поглощающего слоя

Рис. 3а–f — микроструктура наноструктурированных поглощающих слоев образцов A, B, C. Образец A облучался в одном направлении (v_x=0, v_y=1000 мм/с) — поверхность демонстрирует полупериодические структуры (рис. 3а). Наблюдается наносферическая структура (рис. 3г): наносферы 50–200 нм покрыты меньшими наносферами <10 нм. Образцы B и C облучались в двух направлениях при больших скоростях — явных периодических структур нет (рис. 3б, в). Образец B: частицы микрометрового масштаба (рис. 3б), состоящие из цветоково-капустных наноструктур (рис. 3д). Образец C: еще более высокая скорость, быстрее накопление наночастиц, более выраженный тепловой эффект. Наблюдаются более толстые агрегаты нанолистов и наночастиц (рис. 3в, ж). Множественные трещины на поверхности из-за высоких напряжений при охлаждении при значительном тепловом вводе.

а SEM ×1000 образец A. б SEM ×1000 образец B. в SEM ×1000 образец C. г SEM ×4000 образец A. д SEM ×4000 образец B. е SEM ×4000 образец C. ж EDX образец A. з EDX образец B. и EDX образец C.

Рис. 3ж–и — EDX для A, B, C. Обнаружен Al₂O₃ в составе наноструктур. Оксиды образуются от окисления алюминия при лазерной записи. Кислородное содержимое: A — 2,2%, B — 8,4%, C — 22,9 ат.%. B и C имеют гораздо больше кислорода, чем A, хотя мощность лазера для B (13,82 Вт) ниже, чем для A (22,60 Вт), а для A и C мощность одинакова. Это указывает на то, что скорость сканирования и период существенно влияют на теплогенерацию и рассеяние. Окисление растет с увеличением скорости сканирования и уменьшением периода.

Светопоглощение образцов

Рис. 4а — оптические микроскопические изображения Al фольги и флайеров с наноструктурированными поглощающими слоями. Al фольга — серебристо-белая. С наноструктурированным слоем A, B, C — серый, черный, темно-черный, указывая на усиленное поглощение. Отражение измерено спектрофотометром, по два измерения на образец. Рис. 4б — спектры отражения Al фольги и флайеров с наноструктурным поглощающим слоем. Поскольку проницаемость ИК через металлы часто составляет десятки–сотни нм [24], ни один свет не проходит через 50 мкм Al фольгу. Рассеянный свет включен в отраженный при измерении интегрирующей сферой. Поглощение = 1−R (отражение). Различия очевидны. Отражение Al фольги при 1064 нм = 81,3% (81,3% инцидентного света отражается). Среднее отражение снижено до 50,5%, 31,5%, 9,8% для A, B, C соответственно. Поглощение эффективно усилено наноструктурным поглощающим слоем прямой лазерной записью. Образец C имеет наисильнейшее поглощение (90,2%) при 1064 нм. Помимо эффекта наноструктур, считаем, что Al₂O₃ в наноструктурах также сильно влияет на поглощение. Обычно Al₂O₃ прозрачен и не поглощает свет; однако при прямой лазерной записи Al₂O₃ и алюминиевые частицы могут формировать металл-диэлектрик-металл структуру, ведящую себя как Фابри-Перо резонатор, усиливающий поверхностный плазмонный резонанс и увеличивающий поглощение [25]. Поскольку кислород в A и B намного меньше, чем в C, Al₂O₃ частицы богаче в C, давая более усиленный плазмонный резонанс и гораздо более сильное поглощение.

а Оптические микроскопические изображения Al фольги и образцов A, B, C. б Спектры отражения Al фольги и образцов A, B, C.

Скорость флайера

Рис. 5 — скорости флайеров Al фольги и образцов A, B, C. В начале 30 нс скорость резко растет. Затем постепенно растет от 30 до 200 нс, после 200 нс почти не меняется. Конечные скорости: A — 1083 м/с, B — 1173 м/с, C — 1110 м/с, что в 1,30, 1,41, 1,33 раза выше Al фольги (831 м/с). Подтверждается, что in-situ наноструктурированный слой не только усиливает поглощение, но и повышает скорость флайера. Заметим: скорость B выше C, хотя C имеет наисильнейшее поглощение. Причина: C имеет гораздо больше Al₂O₃. В Al₂O₃ ионная связь, в Al — металлическая. Ионная связь намного сильнее, поэтому точка плавления и испарения Al₂O₃ выше: Al₂O₃ — 2054 °C и 2980 °C, Al — 660 °C и 2519 °C. Теплопроводность Al₂O₃ = 29,3 Вт/м·К, Al = 237 Вт/м·К. Следовательно, Al₂O₃ труднее испаряется и образует плазму под лазерным импульсом из-за высокой температуры плавления и низкой теплопроводности [26]. Хотя Al₂O₃ в C усиливает поглощение, оно одновременно потребляет часть энергии лазера, не помогая разгону флайера.

а Скорости флайеров Al фольги и A, B, C в разгонной камере (PDV). б Конечные скорости флайеров.

Кинетическая энергия флайеров:

E = (m_f − m_a)v²/2 (1)

где m_f — исходная масса флайера, m_a — масса аблатированного флайера. Предполагаем, что флайер сохраняет целостность при полете. Аблированная масса оценивается по модели Лоуренса и Тротта [27]:

m_a = (πr²/μ_eff) ln(μ_effI₀(1−k)/ε_d) (2)

где r — радиус флайера, μ_eff — эффективный коэффициент поглощения, I₀ — интенсивность инцидентного лазера, k — коэффициент потерь энергии, ε_d — энергия испарения.

Энергетическая эффективность флайера:

ξ = E_f/E_l (3)

где ξ — эффективность, E_f — кинетическая энергия флайера, E_l — энергия инцидентного лазера.

Расчетные результаты кинетической энергии и эффективности на рис. 6. Эффективность для A, B, C: 36,8%, 43,2%, 38,6% — в 1,70, 1,99, 1,78 раза выше Al фольги (21,7%). В работе при добавлении наноструктурированного поглощающего слоя на Al фольгу максимальная эффективность почти удвоилась. Результаты в таблице 1. In-situ изготовление наноструктурированного поглощающего слоя на поверхности флайера дает новый метод значительного повышения энергетической эффективности LDF.

Расчетные кинетическая энергия и энергетическая эффективность Al фольги и образцов A, B, C.

Заключение

Наноструктурированные поглощающие слои успешно in-situ приготовлены на поверхности тонких Al фольг технологией прямой лазерной записи. Показано, что управлением импульсами лазера можно реализовать как микро-, так и наноструктурные особенности. Достигнуто существенное снижение отражения и значительное усиление поглощения. In-situ нано-поглощающий слой на Al фольге увеличивает поглощение с 18,7% до 90,2%. Рост поглощения ведет к явному увеличению скорости и кинетической энергии лазерно-разгоняемого флайера. Энергетическая эффективность флайера с наноструктурированным поглощающим слоем значительно улучшена по сравнению с Al фольгой, максимум в работе — 43,2%, что в 1,99 раза выше Al фольги (21,7%). Следовательно, алюминиевая наноструктурированная поглощающая слой in-situ на поверхности флайера дает новый метод увеличения поглощения лазерной энергии и повышения энергетической эффективности LDF. Более того, in-situ технология подготовки в работе перспективна для фотохимии, сенсорики, фотодетекторов и квантовой оптики.

Доступность данных и материалов

Все авторы заявляют, что материалы, данные и ассоциированные протоколы доступны читателям, все данные для анализа включены в статью.